Разработка многофункционального микропроцессорного контроллера привода постоянного тока

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение…......................................................................................................

1 Анализ технического задания....................................................................

1.1 Общие понятия контроллера  привода постоянного тока.....................

1.2 Анализ аналогичных микропроцессорных систем управления электродвигателем постоянного тока……………………………………..

2 Постановка задач на разработку................................................................

2.1 Входные данные.......................................................................................

2.2 Постановка задач на разработку технологического процесса..............

3 Информация про базу  практики.................................................................

Выводы............................................................................................................

Перечень ссылок.............................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Современный этап технической революции  характеризуется бурным развитием не только управляющей, но и силовой электроники. успехи которой позволяют по новому взглянуть на ряд проблем, которые раньше не решались либо ввиду непомерной стоимости проекта либо сложности его реализации на имеющейся элементной базе. 
 Известно, что в большинстве промышленно развитых стран около 70-80% всей вырабатываемой электроэнергии используется для преобразования в механическую работу с помощью различных электродвигателей. При этом до последнего времени наиболее массовым типом электропривода был нерегулируемый привод с асинхронными короткозамкнутыми двигателями. Это объясняется простотой двигателя и возможностью его непосредственного подключения к трехфазной сети с помощью так называемых пускателей - простейшей коммутационной и защитной аппаратуры. 
 Применение нерегулируемых электроприводов сопровождается значительными непроизводительными затратами электроэнергии и в условиях резкого подорожания энергоносителей и, соответственно, электроэнергии, экономически невыгодно. Поэтому, доля регулируемых электроприводов, в том числе частотно-регулируемых электроприводов переменного тока постоянно растет. При этом в ряде стран приняты специальные государственные программы ускоренного развития энерго- и ресурсосберегающих технологий на базе экономичного регулируемого электропривода с широкими интерфейсными возможностями, дозволяющими одновременно с экономией электроэнергии решать и задачи комплексной автоматизации производства в целях оптимизации параметров технологических процессов и улучшения качества выпускаемой продукции.

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО  ЗАДАНИЯ

 

 

1. Общие понятия контроллера привода постоянного тока

 

Электродвигатели (ЭД) постоянного  тока нашли широкое применение в приводах главного движения и приводах подач металлорежущих станков и промышленных роботов. Причина - простой способ регулирования частоты вращения вала электродвигателя путем изменения величины управляющего постоянного напряжения. Чем больше управляющее напряжение, тем выше частота вращения. Причем изменение полярности управляющего напряжения приводит к изменению направления вращения вала электродвигателя.

В комплект электропривода постоянного тока входит тахогенератор ТГ, который закреплен на валу ЭД. Выходное напряжение ТГ, которое пропорционально частоте вращения вала ЭД, используется для ее контроля.

Для управления ЭП ПТ применяются  МП контроллеры, которые должны в  зависимости от требуемой частоты  вращения задавать управляющее напряжение U_упр и контролировать фактическую ее величину по уровню постоянного напряжения, снимаемого с тахогенератора U_тг (рис. 1.1).

В состав МП контроллера  входят два модуля: процессорный и интерфейсный. Процессорный модуль осуществляет отработку управляющих программ для реализации алгоритма управления ЭП ПТ. Интерфейсный модуль обеспечивает связь процессорного модуля с электроприводом: преобразование цифровых сигналов в аналоговые и наоборот, промежуточное хранение данных и фиксацию управляющих сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 - Структура электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением

 

Проектируемый МП контроллер обеспечивает следующий алгоритм работы ЭП ПТ.

Перед пуском ЭД, т.е. перед  подачей U_упр, МП контроллер проверяет наличие сигнала "Готовность", поступающего с электропривода (наличие питающего напряжения, снятие различных блокировок и т.д.). При отсутствии данного сигнала МП контроллер не производит пуск ЭД и выдает сигнал "Сбой" на световой индикатор. Если сигнал "Готовность" присутствует, то процессорный модуль МП контроллера выдает в интерфейсный модуль цифровой эквивалент U_упр, который цифро-аналоговым преобразователем преобразуется в аналоговую величину.

После подачи U_упр на электродвигатель МП контроллер осуществляет программным способом определенную по времени задержку, необходимую для разгона ЭД до заданной частоты вращения, а затем вводит цифровой эквивалент напряжения ТГ. Преобразование аналоговой величины U_ТГ в цифровую осуществляется в интерфейсном модуле аналого-цифровым преобразователем.

После ввода U_ТГ МП контроллер приступает к сравниванию ее величины с yровнем U_упр. Если уровень U_ТГ соответствует U_упр, то пуск произошел в нормальном режиме.

Если соответствия нет, то имеет место нештатная ситуация, например, перегрузка ЭД. В этом случае МП контроллер выдает нулевой уровень U_упр (останов ЭД) и сигнал "Сбой", который индицируется светодиодом в интерфейсном модуле.

При пуске ЭД могут возникнуть различные  аварийные ситуации. При наличии сигнала "Авария" МП контроллер должен прервать подпрограмму пуска, остановить ЭД и выдать сигнал "Сбой".

 

1.2 Анализ аналогичных микропроцессорных систем управления электродвигателем постоянного тока

 

Сотни различных фирм, среди них такие известные  как ABB, Siemens, Alien Bradley, Dan bss и др., выпускают преобразователи частоты и комплектные электропривода на их основе в диапазоне мощностей от 100 ВА до 100 кВА, работающие с высоким коэффициентом полезного действия до 96% и коэффициентом мощности до 0.9.

DCS400 фирмы ABB – это серия электроприводов постоянного тока нового поколения, рассчитанных на номинальную мощность от 9 до 522 кВт. Напряжение питания в пределах от 230 до 500 В. Диапазон выходных токов от 20 до 1000 А.

Основной целью при  разработке привода являлись простота и удобство использования. В результате был создан привод постоянного тока, удовлетворяющий большинство потребностей машиностроителей. Данный привод сравним по простоте обращения с аналоговым приводом, обладая при этом всеми преимуществами цифрового привода. Он легко встраивается в оборудование, компактен и обладает оптимальным набором функций, прост в установке и настройке.

DCS400 является инновационной  разработкой, основанной на использовании  новейших достижений полупроводниковой  технологии в сочетании с современным программным обеспечением, что позволило упростить техническое обслуживание, повысить надежность и обеспечить быстрый ввод в эксплуатацию.

Малые габариты DCS400 предоставляют  машиностроителям больше возможностей при проектировании своего оборудования. Компактность конструкции обеспечивается благодаря полностью встроенному блоку возбуждения, содержащему дроссель и предохранитель цепи возбуждения. Блок возбуждения выполнен по схеме с IGBT-транзистором, и теперь нет необходимости в трансформаторе напряжения возбуждения, используемого обычно для согласования сетевого напряжения питания с напряжением обмотки возбуждения двигателя.

Наличие встроенной программы  – мастера запуска, доступной  с панели управления, и программного пакета для ПК облегчает процесс ввода привода в эксплуатацию, превращая его в простое следование вы- водимым на панель управления инструкциям. Достаточно задать всего шесть параметров, чтобы запустить привод.

Областью применения этой серии в основном являются экструдеры, конвейеры, волочильные машины, а также прессы.

Привод DCS 400 имеет следующие характеристики:

- Мощность : от 9 до 522 кВт 

- Напряжение : 230-500В 50 Гц 

- Регулирование скорости вращения и момента в 2 и 4 квадрантах 

- Точность по скорости : до 0,006 %  
- Цифровые входы / выходы: 8 входов / 4 выхода  
- Аналоговые входы / выходы : 3 входа / 2 выхода  
- Предустановленные скорости : 4  
- Степени защиты IP00  
- Связь : ProfiBus, CANopen, DeviceNet, ModBus, AC 800M

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ НА РАЗРАБОТКУ

 

1. Входные данные на разработку микропроцессорного контроллера

 

В данной дипломной работе мы рассматриваем микропроцессорный  контроллер на основе микросхемы Allegro ACS712. Датчик тока ACS712 основан на принципе, открытом в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin Hall), и названным его именем. Эффект Холла состоит в следующем: если проводник с током помещен в магнитное поле, то на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно, как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля.

Микросхема ACS712 выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (Рисунок 2.1). Она состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока (Рисунок 2.2). Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.

 

 

Рисунок 2.1 - Микросхема ACS712 в корпусе SOIC

 

 

Рисунок 2.2 - Внутренняя конструкция датчика тока ACS712. Виден U-образный медный проводник проходящий вокруг элемента Холла

 

Аналоговый выход датчика  подключается к одному из каналов  АЦП микроконтроллера. Все необходимые  преобразования и вычисления реализуются  в программе микроконтроллера. Для  отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор. Схема подключения датчика тока ACS 712 показана на рисунке 2.3.

 

 

Рисунок 2.3 - Схема подключения модуля датчика ACS712 и ЖК индикатора к микроконтроллеру

2.2 Постановка задач  на разработку технологического процесса

 

Курсовое проектирование включает курсовую работу, целью которой  является приобретение студентами практических навыков самостоятельного проектирования технологических процессов (ТП) изготовления типовых, средней сложности, содержащих не менее пяти основных операций, деталей отраслевого машиностроения. При этом решаются следующие задачи:

• анализ ТУ на изготовление детали;
• технологический контроль рабочего чертежа;
• выбор способа получения исходной заготовки;
• выбор технологических баз;
• разработка маршрута обработки, по каждой операции указать элементы СПИД.
• разработка операционной технологии, включая составление последовательности переходов в операции, расчет припусков и операционных размеров для ряда технологических переходов, выбор оборудования и технологической оснастки, расчет режимов обработки, расчет основного (машинного) времени, информация

Процесс сборки и монтажа  протекает по этапам. Этап комплектации навесных элементов и деталей, входящих в состав модулей первого уровня, трудоемок и выполняется в основном вручную. Это связано с многообразием тары, в которой поставляются ЭРЭ и ИМС. Микросхемы в индивидуальной таре-спутнике распаковываются на автоматах с ориентацией по ключу и укладкой в технологические кассеты. Этап подготовки к монтажу включает техпроцесс подготовки печатных плат, ЭРЭ, ИМС и конструкционных деталей. Операции подготовки ЭРЭ и ИМС в мелкосерийном производстве выполняются вручную на рабочем месте монтажника простейшими приспособлениями и с дальнейшим размещением элементов в технологической таре по номиналам. В крупносерийном производстве применяются автоматы рихтовки и обрезки выводов, флюсования и лужения, промывки и сушки подготовленных навесных элементов. В некоторых автоматах все эти операции объединены в одном цикле и выполняются в виде переходов. Автоматизированная подготовка требует специальных кассет для загрузки и выгрузки элементов. Для ЭРЭ с осевыми выводами, которые кассетируют путем вклеивания в ленту, формовка производится на автомате непосредственно перед установкой на плату. Установку на плату начинают со штырей, лепестков, навесных шин, прокладок после подготовки (рихтовка, обезжиривание) их базовых поверхностей. Установка ЭРЭ и ИМС в зависимости от типа производства осуществляется несколькими способами: вручную, со световой индикацией, по шаблону, автоматически.